EP0049220A1 - Dispositif à double sonde optique pour déterminer l'indice de réfraction d'un fluide ramené à une température de référence prédéterminée - Google Patents

Dispositif à double sonde optique pour déterminer l'indice de réfraction d'un fluide ramené à une température de référence prédéterminée Download PDF

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EP0049220A1
EP0049220A1 EP81810378A EP81810378A EP0049220A1 EP 0049220 A1 EP0049220 A1 EP 0049220A1 EP 81810378 A EP81810378 A EP 81810378A EP 81810378 A EP81810378 A EP 81810378A EP 0049220 A1 EP0049220 A1 EP 0049220A1
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EP
European Patent Office
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section
refractive index
probes
fluid
light
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EP81810378A
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German (de)
English (en)
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EP0049220B1 (fr
Inventor
Alan Lewis Harmer
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Stanley Electric Co Ltd
Original Assignee
Stanley Electric Co Ltd
Battelle Memorial Institute Inc
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/43—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle
    • G01N21/431—Dip refractometers, e.g. using optical fibres

Definitions

  • the subject of the present invention is a device with a double optical probe for determining the refractive index of a fluid brought back to a predetermined reference temperature, said device being adapted to give rise to a more positive error than the negative error inherent in a device with a single optical probe (which thus opens in particular the possibility, if this is desired, of carrying out an almost perfect temperature compensation, or even even a certain overcompensation).
  • Such immersion refractometers generally comprise a single optical probe constituted by a light-conducting structure intended to be immersed in the liquid to be measured, which conducting structure is adapted to convey light by multiple internal reflections between its entry and its exit in giving rise to a passage of light by refraction in the liquid which is a function of the refractive index of this liquid (such conductive structures can thus, for example, be constituted in particular by structures such as prisms arranged at the end of transparent rods, or else structures such as simple transparent rods or appropriately curved optical fibers, etc.).
  • the quantity of light transmitted up to the output of the optical probe constituting these immersion refractometers therefore turns out to also be a function of the refractive index of the liquid to be tested, so that the determination of this refractive index can be thus easily obtained by simple measurement of this quantity of light transmitted up to the output of the probe.
  • the output of the optical probe of these immersion refractometers is generally equipped with a photoelectric converter responsible for developing an electrical signal corresponding to the quantity of light emerging at the output of the probe, this electrical signal then being directed towards an appropriate display member directly calibrated in refractive index units, so as to allow direct reading of the value of the index sought on this display member (the calibration of this display member being meanwhile carried out in a known manner at a well-determined reference temperature, using calibration liquids of which the value of the refractive index at this predetermined reference temperature is precisely known).
  • the object of the present invention is precisely to at least partially remedy the above-mentioned drawbacks, by proposing a device with a double optical probe for determining the index of re fraction of a fluid brought back to a predetermined reference temperature, which is adapted to give rise to an error on said determination more positive than the negative error inherent in a device with a single optical probe.
  • Such an expression thus intends in particular to include structures as diverse as structures whose intermediate section is constituted by a prismatic surface (the inlet and outlet sections connected to this prismatic surface can then, for example, be constituted by bodies elongated light conductors such as transparent rods or optical fibers), or that structures entirely constituted by elongated light conductive bodies (such as transparent rods or optical fibers).
  • the general expression "means for producing a resulting signal corresponding to the difference or the quotient of the quantities of light emerging from the respective probes of the double probe device” is also intended to denote many purely optical means giving rise to the production of a resulting optical signal (the difference or the quotient of the quantities of light emerging from the respective probes then being produced by purely optical organs than "optoelectronic" means giving rise to the elaboration of a resulting electrical signal (the quantities of light emerging from the respective probes then being preferentially transformed into corresponding electrical signals by suitable organs such as photoelectric converters, so as to allow the subsequent elaboration using appropriate electronic organs of the difference or the quotient of these respective electrical signals , using appropriate electronic devices).
  • Figs. la and lb illustrate by way of example two devices with a single optical probe known from the state of the art, designed to ensure the determination of the refractive index "n lo " of a fluid brought back to a predetermined reference temperature "T o " (the operating mode of these devices also being illustrated by the diagrams in FIGS 2a and 2b).
  • the purpose of these first two illustrations is to show the error in which the determination thus made is made with these known single probe devices when the temperature T at which this determination is made differs from the reference temperature T o , in order to allow the establishment of a precise comparison with the error likely to result from dual optical probe devices according to the invention, which will be described later.
  • the device shown in fig. the comprises a single optical probe 1, consisting of a prism 2 comprising a base 3 and two other faces 4 inclined at the same angle relative to the base 3.
  • the prism 2 which is made of a transparent material refractive index "np", is immersed in a liquid to be tested 5 of refractive index "ne” (the respective refractive indices "n p " and “n l “ varying according to the temperature "T” prevailing at the time of the measurement).
  • the optical probe 1 also comprises two light conductors 6 and 7 rigidly connected by one of their ends to the face 3 of the prism 2, which are intended to serve respectively as an inlet section and an outlet section for the probe.
  • a light source 8 responsible for injecting a predetermined quantity of light inside the probe 1.
  • the light thus injected at the inlet of the probe 1 is then conveyed until it leaves the latter after having undergone two successive reflections on the inclined faces 4 of the prism 2 immersed in the liquid to be tested 5.
  • These two successive reflections on the faces of the prism give rise, as well as '' it is known, at a passage of light by refraction in the liquid 5 which is a function of the refractive index of this liquid, so that the quantity of light "I" transmitted up to the exit of the probe turns out also be a function of this refractive index.
  • the photoelectric transducer 9 is finally connected to a display member 10, responsible for directly displaying the value of the refractive index "n lo " of the fluid tested 5 brings back to the predetermined reference temperature "T o " (this temperature of predetermined reference "T o " which may for example be the ambient temperature, fixed at 20 ° C.).
  • the affi chage 10 is calibrated directly in units of refractive index, such calibration being effected at the reference temperature "T o" using calibration liquids with known precisely the index values "n lo" in this temperature “T o ".
  • Such a calibration or calibration is best illustrated by the curve A represented in solid lines on the diagram in FIG. 2a, which shows the variations in the quantity of light “I” transmitted by the probe 1 as a function of the refractive index. "n lo " of the calibration liquids maintained at the reference temperature T.
  • the particular nature of the probe 1 (constituted by a prism 2) gives rise to a quantity of transmitted light "I” which varies linearly according to the index "n lo ", this linear variation 1 (n lo ) that can be expressed using the relation: where "C” denotes a constant and “m” denotes the slope "dI / dn lo " of the straight line A, this parameter "m” in fact representing the sensitivity of the probe 1 relative to the variations in the refractive index of the liquid a test.
  • the device described being thus calibrated, its operating mode is as follows: the prism 2 of the probe 1 constituting this device being immersed in an unknown liquid for which one wants to determine the refractive index "n lo " brought back to the temperature of reference "T o ", the injection of a predetermined quantity of light at the input of the probe 1 then gives rise to a quantity of light "I” transmitted at the output of this probe which results in the display of a value "n lo aff" on the display member 10 (cf. calibration curve A shown in the diagram in FIG. 2a, where this value "n lo aff” is given by the abscissa of point O of the curve A whose ordinate is constituted by the value "I” thus produced by the probe).
  • n lo aff corresponds to the real value "n lo reel” sought in the case where the temperature T of the liquid probe 1 system 5 is found to be equal to the reference temperature T o .
  • This value "n lo aff” is however significantly different from the value "n lo reel” sought in the case where the temperature T of the system turns out to no longer be equal to the temperature of re reference T o , the error E thus made on the determination of the index "n lo " reduced to the reference temperature T o then being given by the relation: where ⁇ T designates the difference between the measurement temperature T and the reference temperature T o .
  • This error E can be easily calculated from the diagram in FIG. 2a, by showing on such a diagram the line B (plotted in dotted lines) representing the variation in the quantity of light "I” actually transmitted by the probe 1 to the temperature T as a function of variations in the index "n lo " of the liquid brought back to the reference temperature T o , which variation obeys the relationship: where dI / dT represents the derivative of quantity I as a function of temperature T.
  • the line B is a line translated from the calibration line A with a value ⁇ I such that:
  • the dI / dT derivative which is an the p indicator endan- that the screw temperature screw system, may for its part éri- re: Let us take as arbitrary definition: by agreeing to call "q" the sensitivity of the probe relative to temperature variations T.
  • This negative error E is likely to be significantly reduced by planning to use as the constituent material of the probes materials such as certain plastics having the highest known temperature coefficients (of the order of -1 ⁇ 10 -4 / ° C. ). Such a negative error can nevertheless only be reduced (without being able, moreover, hardly to drop below a value of the order of ⁇ 1 ⁇ 10 ⁇ 4 / ° C.), but not not canceled, and even less to become positive.
  • the device shown in FIG. 1b comprises a single optical probe 11, consisting of a U-shaped optical fiber comprising a curved section 12 of semi-circular shape extending at each of its ends by respective straight sections 16 and 17
  • a light source 18 responsible for injecting a predetermined quantity of light inside the fiber 11.
  • the light thus injected at the input fiber 11 is then conveyed to the outlet of the latter while giving rise, as is known, to losses of light by refraction at curvature which are a function of the refractive index of the liquid (curvature of curved section 12 chosen sufficiently pronounced so that these losses are not negligible), so that the quantity of light "I” emerging at the outlet of the fiber 11 also appears to be a function of the refractive index of this liquid.
  • a photoelectric transducer 19 responsible for developing an electrical signal "s" directly proportional to this quantity of light "I” emerging from the fiber 11.
  • the photoelectric transducer 19 is finally connected to a display member 20, responsible for directly giving the value of the refractive index "n lo " of the liquid tested 5 brought back to the reference temperature T o .
  • the display member is calibrated directly in refractive index units, this calibration also being carried out as above at the reference temperature T o , using calibration liquids which are known precisely. the index values "n lo " at this temperature "T o ".
  • Such a calibration or calibration is best illustrated by curve A appearing in the diagram in FIG. 2b, which shows the variations in the quantity of light "I” transmitted by the fiber 11 as a function of the refractive index "n lo " of the calibration liquids maintained at the reference temperature "T o ".
  • the quantity of light "I" transmitted by the optical probe 11 is moreover as previously always a function of the refractive index "np" of the probe and of the refractive index "nl” of the liquid, according to the relationship: so that the derivative dI / dT can always be written:
  • the expression of the error E as a function of the parameters of the system therefore turns out to be strictly identical to that given previously, namely: which error E therefore always remains negative.
  • Fig. 3 illustrates a first embodiment of the device with double optical probe according to the invention, according to which use is made of optical probes with characteristic I (ne) linear.
  • the device shown in this fig. 3 comprises two optical probes 21 and 22, consisting of respective prisms 23 and 24 made of transparent materials with respective refractive index "np l " and "np 2 ", said prisms 23 and 24 being moreover immersed in a liquid to be tested 15 with refractive index "nl”.
  • the prism 23 of the first optical probe 21 has a base 25 which is larger than an opposite parallel face 26, as well as two other faces 27 inclined at the same angle relative to the base 25.
  • the first optical probe 21 also comprises two light conductors 28 and 29 rigidly connected by one of their ends to the base 25 of the prism 23, which are intended to serve respectively as an inlet section and an outlet section for the probe 21.
  • a first light source 30 responsible for injecting a predetermined amount of light inside the probe 21, while opposite the outlet section 29 is located a first photoelectric transducer 31, responsible for developing an electrical signal "s l " directly proportional to the amount of light "Il” transmitted to the output of this first probe 21 (light transmitted to the output of the probe 21 after underwent three successive reflections on the corresponding faces 26 and 27 of the prism 23).
  • the prism 24 of the second optical probe 22 comprises a base 33, as well as two other faces 34 inclined at the same angle relative to this base 33.
  • the second optical probe 22 further comprises two light conductors 38 and 39 rigidly connected by one of their ends to the base 33 of the prism 24, which are intended to serve respectively as an inlet section and an outlet section for the probe 29.
  • a second light source 40 responsible for injecting a predetermined amount of light inside the probe 22
  • a second transducer photoelectric 42 responsible for developing an electrical signal "s 2 " directly proportional to the amount of light "I 2 " transmitted until the output of this second probe 22 (light transmitted until exit of the probe 22 after having undergone two successive reflections on the corresponding faces 34 of the prism 24).
  • the outputs of the photoelectric transducers 31 and 42 associated with the respective probes 21 and 22 are moreover connected to the two inputs of a differentiating member 43, responsible for producing a resulting electrical signal "s 1 " corresponding to the difference of the signals "s 1 "and” s 2 ".
  • a differentiating member 43 responsible for producing a resulting electrical signal "s 1 " corresponding to the difference of the signals "s 1 "and” s 2 ".
  • the output of the differentiating member 43 is finally connected to a display member 44, responsible for directly displaying the value of the refractive index "n lo " of the tested fluid 15 brought back to the predetermined reference temperature "T o ".
  • the display member 44 is calibrated directly in refractive index units, this calibration being carried out (as for the single probe devices) at the reference temperature T o , using liquid d calibration whose index values "n " o " are precisely known at this temperature "T o " (the quantity “s r “ or “dI r “ being in fact representative of the index "n lo " at the reference temperature “T o ", since the component quantities "s 1 " and “s 2 " are already representative of this index "n lo " at the temperature "T o ", as seen previously).
  • the device described above being thus calibrated, its mode of operation is then as follows: the prisms 23 and 24 of the respective probes 21 and 22 being immersed in the liquid for which it is desired to determine the refractive index "n lo " reduced to the reference temperature "T o ", the injection of a predetermined quantity of light at the input of the probes 21 and 22 then gives rise to respective quantities of light “I 1 " and “I 2 " at the output of these probes, which entail, after processing of the resulting signal " ⁇ I r ", the display of a value "n lo aff" on the display member 44.
  • the two probes have prisms 24 and 25 of the same shape and dimensions so that their sensitivities m 1 and m 2 are substantially equal, it will be necessary to choose photodetectors having a characteristic such as the proportionality of each probe, 1 and 2, is different from probe to probe. It follows that it will be possible to obtain an effect identical to that described above in the case of prisms 24 and 25 of different shape by playing only on the sensitivity of the photodetectors.
  • the device with double optical probe as described above makes it possible to determine the refractive index "n lo " of a liquid brought back to the reference temperature T o , according to an error E which turns out to be more positive than the negative error inherent in the use of a single probe device, as soon as the following conditions are met: and m 1 > m 2 q 1 ⁇ q 2 (or dn p1 / dT> dn p2 / dT)
  • This error E can moreover be practically canceled by choosing the respective parameters m 1 , m 2 , q l and q 2 in such a way that they obey the relation: which then makes it possible to obtain a measuring device which turns out to be almost perfectly temperature compensated.
  • This error E can also, in certain desired cases, be made positive by an appropriate choice of the respective parameters m 1 , m 2 , q 1 and q 2 , which then makes it possible to obtain a device overcompensated in temperature (this which is not possible with single probe devices).
  • Such a possibility of overcompensation in temperature can prove to be particularly advantageous in a certain number of applications, such as for example that aiming to determine the state of charge Q of a lead-acid accumulator by means of the measurement of the refractive index "n lo " of its electrolyte reduced to the reference temperature T o (such overcompensation thus making it possible, for example, to indicate to the driver of a vehicle, in cold weather, a charge "Q aff" significantly lower than the actual "Q reel” charge of its battery, so as to increase safety in use).
  • Fig. 4 illustrates a second embodiment of the device with double optical probe according to the invention, according to which use is made of optical probes with characteristic I (ne) exponential.
  • the device shown in this fig. 4 comprises two optical probes 51 and 52, constituted by curved optical fibers whose core is made of transparent materials with a refractive index of "n p1 " and “n p2 " respectively, the curved sections 53 and 54 of these optical fibers 51 and 52 being moreover immersed in the liquid to be tested 15 with a refractive index "n l ".
  • the curved section 53 of the first fiber 51 has a profile in the form of an "inverted ⁇ " comprising three alternating curvatures.
  • This curved section 53 is extended at each of its ends by respective straight sections 58 and 59, which are intended to be used respectively as an inlet section and an outlet section for the probe 51.
  • a first light source 60 responsible for injecting a predetermined amount of light inside the probe 51
  • a first photoelectric transducer 61 responsible for producing an electrical signal "s 1 " directly proportional to the amount of light "f 1 " transmitted up to the output of this first probe 61 (light transmitted up to the output of the probe 51 after having suffered losses by refraction on the three reverse successive curvatures of the curved section 53).
  • the curved section 54 of the second fiber 52 has a unique U-shaped curvature profile. This curved section 54 is extended at each of its ends by respective straight sections 68 and 69, which are intended to serve as a section input and output section for the probe 52.
  • a second light source 70 responsible for injecting a predetermined quantity of light at inside section 52, however opposite the outlet section 69 is located a second photoelectric transducer 72, responsible for producing an electrical signal "s 2 " directly proportional to the quantity of light "1 2 " transmitted until the output of this second probe 52 (light transmitted until the output of probe 52 after having suffered losses by refraction during its passage through the single curvature 54).
  • the outputs of the photoelectric transducers 61 and 72 associated with the respective probes 51 and 52 are moreover connected to the two inputs of a dividing member 73, responsible for developing an electrical signal resulting "s r " corresponding to the quotient of the signals "s I " and “s 2 ".
  • the resulting signal "s r " can then be written indifferently: by agreeing to designate by I r the quotient I 3 / I 2 .
  • the output of the dividing member 73 is finally connected to a display member 74, responsible for directly displaying the value of the refractive index "n lo " of the tested fluid 15 brought back to the predetermined reference temperature "T o ".
  • the display member 74 is calibrated directly in refractive index units, this calibration being carried out (as for single probe devices) at the reference temperature T o , using liquids d calibration whose index values "n lo " are precisely known at this temperature "T o " (the quantity “s r “ or “I r “ being in fact representative of the index "n lo " at the temperature of reference “T o ", since the component quantities "s 1 " and “s 2 " are already representative of this index "n lo " at the temperature "T o ", as seen above).
  • the above-described device being calibrated, its mode of operation is then as follows: the curved sections 53 and 54 of the respective probes 51 and 52 being immersed in the liquid for which it is desired to determine the refractive index "n lo " reduced to the reference temperature "T o ", the injection of a predetermined quantity of light at the input of the probes 51 and 52 then gives rise to respective quantities of light “Il” and “I 2 " at the output of the probes, which cause, after processing of the resulting signal "I r ", the display of a value "n lo aff" on the display member 74.
  • This displayed value "n lo aff " corresponds to the real value "n lo reel” sought, in the case where the temperature T of the system is found to be equal to the reference temperature T.
  • the resulting value I r can therefore be written: either again assuming that the quantities k 1 q 3 ⁇ T and k 2 q 2 ⁇ T remain small in relation to the unit (which is verified in practice).
  • a material such as glass (dn p2 / dT -1x10 -6 / ° C) for the core of the second probe 52.
  • This error E can moreover be practically canceled by choosing the respective parameters k 1 , k 2 , q l , q 2 so that they obey the relation: which then makes it possible to obtain a measuring device which turns out to be almost perfectly temperature compensated.
  • This error E can also, in certain desired cases, be made positive by an appropriate choice of the respective parameters k l , k 21 q 1 and q 2 , which then makes it possible to obtain a device overcompensated in temperature (which is not possible with single probe devices).

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Abstract

Le dispositif comprend deux sondes optiques (51 et 52) constituées par un corps conducteur de la lumière et destinées à être immergées dans le fluide par une section intermédiaire (53, 54) du corps, deux sources de lumière (60, 70) éclairant une extrémité respectivement de l'un (58) et de l'autre (68) corps des sondes, deux transducteurs photoélectriques (61 et 72) disposés à l'autre extrémité respectivement du premier (58) et du second (68) corps des sondes, un organe diviseur (73) des signaux issus de ces transistors et un organe d'affichage (74) du signal résultant issu de cet organe diviseur.

Description

    Domaine technique
  • La présente invention a pour objet un dispositif à double sonde optique pour déterminer l'indice de réfraction d'un fluide ramené à une température de référence prédéterminée, ledit dispositif étant adapté pour donner lieu à une erreur plus positive que l'erreur négative inhérente à un dispositif à sonde optique unique (ce qui ouvre ainsi notamment la possibilité, dans le cas où cela est désiré, de réaliser une compensation quasi parfaite en température, ou voire même une certaine surcompensation).
    • Technique antérieure
  • On connait déjà de nombreux types de réfractomètres pour déterminer l'indice de réfraction de fluides, dont beaucoup sont basés sur l'exploitation des phénomènes de réflexion et réfraction se déroulant au voisinage de l'angle critique (angle critique dont on sait qu'il est variable en fonction de l'indice de réfraction du fluide). Parmi ces derniers se trouvent notamment les réfractomètres à immersion, qui constituent des instruments de mesure permettant d'allier de façon remarquable simplicité et précision. De tels réfractomètres à immersion comprennent généralement une sonde optique unique constituée par une structure conductrice de la lumière destinée à être immergée dans le liquide à mesurer, laquelle structure conductrice est adaptée pour véhiculer de la lumière par réflexions internes multiples entre son entrée et sa sortie en donnant lieu à un passage de lumière par réfraction dans le liquide qui est fonction de l'indice de réfraction de ce liquide (de telles structures conductrices pouvant ainsi, à titre d'exemple, être notamment constituées par des structures telles que des prismes agencés à l'extrémité de tiges transparentes, ou bien des structures telles que de simples tiges transparentes ou fibres optiques incurvées de manière appropriée, etc...). La quantité de lumière transmise jusqu'en sortie de la sonde optique constitutive de ces réfractomètres à immersion s'avère par conséquent être également fonction de l'indice de réfraction du liquide à tester, de sorte que la détermination de cet indice de réfraction peut être ainsi aisément obtenue par simple mesure de cette quantité de lumière transmise jusqu'en sortie de la sonde. A cet effet, la sortie de la sonde optique de ces réfractomètres à immersion est généralement équipée d'un convertisseur photoélectrique chargé d'élaborer un signal électrique correspondant à la quantité de lumière émergeant en sortie de la sonde, ce signal électrique étant alors dirigé sur un organe d'affichage approprié directement calibré en unités d'indice de réfraction, de façon à permettre la lecture directe de la valeur de l'indice recherché sur cet organe d'affichage (le calibrage de cet organe d'affichage étant quant à lui effectué de manière connue à une température de référence bien déterminée, à l'aide de liquides d'étalonnage dont on connait précisément la valeur de l'indice .de réfraction à cette température de référence prédéterminée).
  • On sait toutefois que l'indice de réfraction "nℓ" de pratiquement tous les liquides décroit lorsque la température augmente, selon un coefficient en température "dne(dT" pouvant varier d'environ -2x10-4/°C à -6x10-4/°C selon les liquides. Or le résultat le plus généralement recherché dans la pratique en ce qui concerne la détermination de l'indice de réfraction d'un liquide donné est de pouvoir déterminer, quelque soit la température réelle "T" à laquelle cette détermination est effectuée, la valeur "nℓo" de l'indice de réfraction de ce liquide ramenée à une température de référence prédéterminée "To" (généralement la température ambiante), plutôt que la valeur réelle "nℓ" de l'indice de réfraction présenté par ce liquide à la température de mesure "T". Cette détermination de la valeur "nℓo" de l'indice de réfraction ramené à une température de référence prédéterminée "To" est en effet la seule qui présente un intérêt véritable dans la plupart des applications, notamment dans tous les cas où la détermination de l'indice de réfraction d'un liquide donné sert en fait ensuite à assurer la détermination d'une autre caractéristique "Q" de ce liquide liée à son indice de réfraction (compte tenu de ce que la corrélation existant entre cette caractéristique "Q" et l'indice de réfraction ne se trouve en règle générale connue de l'utilisateur que pour la seule température de référence To). Comme application particulièrement avantageuse de cette détermination d'indice de réfraction "nℓo" ramené à une température de référence prédéterminée "To", on peut ainsi citer à titre d'exemple non exclusif la détermination de l'état de charge "Q" d'un accumulateur d'énergie électrique tel qu'un accumulateur acide-plomb, pour lequel il existe une corrélation bien connue dans la littérature entre cet état de charge "Q" et l'indice de réfraction "nℓo" de l'électrolyte de cet accumulateur à la température ambiante "To" (To étant fixé à 20°C).
  • L'utilisation de réfractomètres à sonde unique (tels que décrits plus haut) en vue de déterminer l'indice de réfraction "nℓo" d'un liquide donné ramené à une température de référence prédéterminée "To" ne peut dès lors donner lieu, ainsi que cela sera démontré plus en détails ultérieurement, qu'à un résultat qui se trouve obligatoirement entaché d'une erreur fortement négative dès que la température à laquelle est effectuée cette détermination diffère de la température de référence (compte. tenu des variations inévitables de l'indice de réfraction du liquide à tester en fonction de la température). Cette erreur négative inhérente à de tels réfractomètres à sonde unique s'avère en fait, dans les cas où l'indice de réfraction du matériau transparent constitutif de la sonde est pratiquement insensible aux variations en température (cas par exemple de verre dont l'indice de réfraction présente un coefficient en température de l'ordre de -10-6/°C, laquelle valeur reste parfaitement négligeable devant celle de la plupart des liquides), être d'une grandeur sensiblement égale à celle du coefficient en température du liquide à tester, à savoir une grandeur de l'ordre de -2x10-4 à -6x10-4/°C selon le liquide testé (étant donné que l'organe d'affichage du réfractomètre indique en fait dans un tel cas la valeur réelle nℓ de l'indice de réfraction présenté par le liquide à la température de mesure, et non la valeur nℓo de cet indice ramené à la température .de référence). On pourrait envisager théoriquement de réduire fortement ou voire même d'annuler quasi-complètement cette erreur négative, en prévoyant d'utiliser comme matériau transparent solide constitutif de la sonde un matériau dont l'indice de réfraction présenterait un coefficient en température sensiblement égal à celui du liquide à tester. Un tel matériau solide transparent n'existe malheureusement pas dans la pratique (les matériaux solides transparents ayant les coefficients en température les plus élevés étant en effet constitués par certains types de matières plastiques dont le coefficient en température ne dépasse guère des valeurs de l'ordre de -lxlo-4/oC), de sorte que les réfractomètres à sonde unique utilisés pour la détermination de l'indice de réfraction ramené à une température de référence prédéterminée restent immanquablement entachés, pour des températures d'utilisation différant de cette température de référence, d'une erreur négative dont la grandeur ne saurait guère descendre, quelque soit le matériau adopté, au dessous d'une valeur de l'ordre de -1x10-4/°C.
  • Les seules méthodes apparemment préconisées jusqu'à présent pour assurer néanmoins une certaine compensation en température dans de tels réfractomètres à sonde unique sont des méthodes préconisant l'utilisation d'un système additionnel se composant d'un organe de mesure de température tel que thermocouple associé à un circuit électronique de correction. ce système complémentaire étant conçu de façon que le circuit électronique puisse apporter, en fonction de la température enregistrée par le thermocouple, la correction requise au signal électrique destiné à être dirigé sur l'organe d'affichage du réfractomètre. La nécessité d'utiliser un tel système additionnel n'est cependant pas sans présenter un certain nombre d'inconvénients majeurs, tels que: complexité du circuit électronique de correction; décalage possible entre les temps de réponse thermique respectifs de la sonde optique et du thermocouple (susceptible d'introduire une erreur additionnelle dans le cas où l'indice de réfraction à tester varie en fonction du temps); éventuelle difficulté à effectuer la mesure en température avec le thermocouple (par exemple dans des environnements à haute interférence électromagnétique), etc...
  • La présente invention a précisément pour but de remédier au moins partiellement aux inconvénients sus-mentionnés, en proposant un dispositif à double sonde optique pour déterminer l'indice de réfraction d'un fluide ramené à une température de référence prédéterminée, qui est adapté pour donner lieu à une erreur sur ladite détermination plus positive que l'erreur négative inhérente à un dis- positf à sonde optique unique. Une telle solution fournit ainsi no- tamnent la possibilité, suivant les applications désirées, de réaliser une compensation quasi-parfaite en température (erreur sensiblement réduite à zéro), ou voire même une certaine surcompensation en température (erreur rendue positive).
  • A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif à double sonde optique pour déterminer l'indice de réfraction d'un fluide ramené à une température de référence prédéterminée, ledit dispositif étant adapté pour donner lieu à une erreur plus positive que l'erreur négative inhérente à un dispositif à sonde optique unique, caractérisé par le fait que ledit dispositif comprend:
    • - une première et une seconde sondes optiques constituées chacune par un corps conducteur de la lumière se conposant d'une section d'entrée et d'une section de sortie raccordées l'une à l'autre par une section intermédiaire, au moins ladite section intermédiaire de chacune desdites sondes étant destinée à être immergée dans ledit fluide, et cette section intermédiaire étant par ailleurs adaptée pour véhiculer de la lumière entre ladite section d'entrée et ladite section de sortie en donnant lieu à une quantité de lumière émergeant de ladite section de sortie de chacune desdites sondes qui varie linéairement en fonction de l'indice de réfraction dudit fluide,
    • - au moins une source de lumière associée à ladite section d'entrée desdites première et seconde sondes pour injecter une quantité de lumière prédéterminée dans chacune de ces sections d'entrée,
    • - et des moyens associés à ladite section de sortie desdites première et seconde sondes, pour élaborer un signal résultant correspondant à la différence des quantités de lumière émergeant respectivement desdites section de sortie, lesdites sections intermédiaires desdites première et seconde sondes étant en outre choisies, d'une part en ce qui concerne leur agencement géométrique, de façon à présenter des sensibilités respectives "ml" et "m2" relativement aux variations de l'indice de réfraction du fluide qui sont telles que "ml" est supérieur à "m2", et d'autre part en ce qui concerne leur matériau constitutif, de façon à présenter des sensibilités apparentes respectives "ql" et "q2" relativement aux variations de tem- pérture de ce fluide qui sont telles que "ql" est inférieur à "q2"' de sorte que ledit signal résultant élaboré en sortie desdites sondes constitue un signal représentatif dudit indice de réfraction du fluide ramené à ladite température de référence, l'indice de réfraction ainsi déterminé se trouvant par ailleurs entaché, pour des températures différant de cette température de référence, d'une erreur plus positive que celle qui résulterait de l'utilisation d'une sonde unique.
  • La présente invention à également pour objet un dispositif à double sonde optique pour déterminer l'indice de réfraction d'un fluide ramené à une température de référence prédéterminée, ledit dispositif étant adapté pour donner lieu à une erreur plus positive que l'erreur négative inhérente à un dispositif à sonde optique unique, caractérisé par le fait que ledit dispositif à sonde optique conprend;
    • - une première et une seconde sondes optiques constituées chacune par un corps conducteur de la lumière se composant d'une section d'entrée et d'une section de sortie raccordées l'une à l'autre par une section intermédiaire, au moins ladite section intermédiaire de chacune desdites sondes étant destinée à être immergée dans ledit fluide, et cette section intermédiaire étant par ailleurs adaptée pour véhiculer de la lumière entre ladite section d'entrée et ladite section de sortie en donnant lieu à une quantité de lumière émergeant de ladite section de sortie de chacune desdites sondes qui varie exponentiellement en fonction de l'indice de réfraction dudit fluide,
    • - au moins une source de lumière associée à ladite section d'entrée desdites première et seconde sondes, pour injecter une quantité de lumière prédéterminée dans chacune de ces sections d'entrée,
    • - et des moyens associés à ladite section de sortie desdites première et seconde sondes, pour élaborer un signal résultant correspondant au quotient des quantités de lumière émergeant respectivement desdites sections de sortie, lesdites sections intermédiaires desdites première et seconde sondes étant en outre choisies, d'une part en ce qui concerne leur agencement géométrique, de façon à présenter des coefficients d'exponentialité respectifs "k" et "k2" relativement aux variations de l'indice de réfraction du fluide qui sont tels que "k" est supérieur à "k2", et d'autre part en ce qui concerne leur matériau constitutif, de façon à présenter des sensibilités apparentes respectives "ql" et "q2" relativement aux variations de température de ce fluide qui sont telles que "q1" est inférieur à "q 2", de sorte que ledit signal résultant élaboré en sortie desdites sondes constitue un signal représentatif dudit indice de réfraction du fluide ramené à ladite température de référence, l'indice de réfraction ainsi déterminé se trouvant par ailleurs entaché, pour des températures différant de cette température de référence, d'une erreur plus positive que celle qui résulterait de l'utilisation d'une sonde unique.
  • Dans les dispositifs à double sonde optique tels que sus-définis, l'expression générale "corps conducteur de la lumière se composant d'une section d'entrée et d'une section de sortie raccordées l'une à l'autre par une section intermédiaire" entend désigner toute stucture optique capable de véhiculer de la lumière par réflexions internes multiples depuis la section d'entrée jusqu'à la section de sortie de cette structure. Une telle expression entend ainsi notamment englober des structures aussi diverses que des structures dont la section intermédiaire est constituée par une surface prismatique (les sections d'entrée et de sortie raccordées à cette surface prismatique pouvant alors à titre d'exemple être constituées par des corps conducteurs de lumière longilignes tels que des tiges transparentes ou des fibres optiques), ou que des structures constituées en totalité par des corps conducteurs de lumière longilignes (tels que des tiges transparentes ou des fibres optiques).
  • Dans les dispositifs à double sonde optique tels que sus-définis, l'expression générale "moyens pour élaborer un signal résultant correspondant à la différence ou du quotient des quantités de lumière émergeant des sondes respectives du dispositif à double sonde" entend par ailleurs désigner aussi bien des moyens purement optiques donnant lieu à l'élaboration d'un signal résultant optique (la différence ou le quotient des quantités de lumière émergeant des sondes respectives étant alors réalisée par des organes purement optiques que des moyens "optoélectroniques" donnant lieu à l'élaboration d'un signal résultant électrique (les quantités de lumière émergeant des sondes respectives étant alors préférentiellement transformées en signaux électriques correspondants par des organes appropriés tels que des convertisseurs photoélectriques, de façon à permettre l'élaboration ultérieure à l'aide d'organes électroniques appropriés de la différence ou du quotient de ces signaux électriques respectifs, à l'aide d'organes électroniques appropriés).
    • Brève description des dessins
  • Le dessin annexé illustre, schématiquement et à titre d'exemple, deux formes d'exécution du dispositif, objet de la présente invention.
    • Les fig. la et 3b sont des vues en coupe longitudinale schématique, illustrant deux dispositifs à sonde optique unique connus de l'état de la technique.
    • Les fig. 2a et 2b sont des diagrammes illustrant l'erreur relative aux dispositifs des fig la et lb.
    • La fig. 3 est une vue en coupe longitudinale analogue à celle des fig la et lb, illustrant une première forme d'exécution du dispositif à double sonde optique selon l'invention.
    • La fig. 4 est une vue en coupe longitudinale analogue à celle de la fig 3, illustrant une seconde forme d'exécution.
    Meilleures manières de réaliser l'invention
  • Les fig. la et lb illustrent à titre d'exemple deux dispositifs à sonde optique unique connus de l'état de la technique, conçus pour assurer la détermination de l'indice de réfraction "nℓo" d'un fluide ramené à une température de référence prédéterminée "To" (le mode de fonctionnement de ces dispositifs se trouvant par ailleurs illustré par les diagrammes des fig 2a et 2b). Ces deux premières illustrations ont pour but de montrer de quelle erreur se trouve entachée la détermination ainsi effectuée avec ces dispositifs à sonde unique connus lorsque la température T à laquelle est effectuée cette détermination diffère de la température de référence To, afin de permettre l'établissement d'une comparaison précise avec l'erreur susceptible de résulter des dispositifs à double sonde optique selon l'invention, qui vont être décrits par la suite.
  • Le dispositif représenté à la fig. la comprend une sonde optique unique 1, se composant d'un prisme 2 comportant une base 3 et deux autres faces 4 inclinées d'un même angle par rapport à la base 3. Le prisme 2, qui est fait en un matériau transparent d'indice de réfraction "np", est immergé dans un liquide à tester 5 d'indice de réfraction "ne" (les indices de réfraction respectifs "np" et "nℓ" variant en fonction de la température "T" régnant au moment de la mesure). La sonde optique 1 comprend encore deux conducteurs de lumière 6 et 7 raccordés rigidement par l'une de leurs extrémités à la face 3 du prisme 2, qui sont destinés à servir respectivement de section d'entrée et de section de sortie pour la sonde. En regard de l'extrémité libre de la section d'entrée 6 de la sonde 1 se trouve disposée une source lumineuse 8, chargée d'injecter une quantité de lumière prédéterminée à l'intérieur de la sonde 1. La lumière ainsi injectée en entrée de la sonde 1 est alors véhiculée jusqu'en sortie de cette dernière après avoir subi deux réflexions successives sur les faces inclinées 4 du prisme 2 immergé dans le liquide à tester 5. Ces deux réflexions successives sur les faces du prisme donnent lieu, ainsi qu'il est connu, à un passage de lumière par réfraction dans le liquide 5 qui est fonction de l'indice de réfraction de ce liquide, de sorte que la quantité de lumière "I" transmise jusqu'en sortie de la sonde s'avère également être fonction de cet indice de réfraction. En regard de la section de sortie 7 de la sonde 1 se trouve par ailleurs disposé un transducteur photoélectrique 9, chargé d'élaborer un signal électrique "s" représentatif de cette quantité de lumière "I" émergeant de la section de sortie 7 (le transducteur 9 étant en fait choisi de façon que le signal élaboré "s" soit directement proportionnel à la quantité "I", selon la relation s =αI, où α désigne le coefficient de proportionnalité). Le transducteur photoélectrique 9 est enfin connecté à un organe d'affichage 10, chargé d'afficher directement la valeur de l'indice de réfraction "nℓo" du fluide testé 5 ramène à la température de référence prédéterminée "To" (cette température de référence prédéterminée "To" pouvant à titre d'exemple être la température ambiante, fixée à 20°C).
  • Afin de permettre l'affichage sus-mentionné, l'organe d'affichage 10 est calibré directement en unités d'indice de réfraction, ce calibrage étant opéré à la température de référence "To" à l'aide de liquides d'étalonnage dont on connait précisément les valeurs d'indice "nℓo" à cette température "To". Un tel calibrage ou étalonnage se trouve mieux illustré par la courbe A représentée en traits pleins sur le diagramme de la fig 2a, qui montre les variations de la quantité de lumière "I" transmise par la sonde 1 en fonction de l'indice de réfraction "nℓo" des liquides d'étalonnage maintenus à la temérature de référence T . On constate que la nature particulière de la sonde 1 (constituée par un prisme 2) donne lieu à une quantité de lumière transmise "I" qui varie linéairement en fonction de l'indice "nℓo", cette variation linéaire 1 (nℓo) pouvant s'exprimer à l'aide de la relation :
    Figure imgb0001
    où "C" désigne une constante et "m" la pente "dI/dnℓo" de la droite A, ce paramètre "m" représentant en fait la sensibilité de la sonde 1 relativement aux variations de l'indice de réfraction du liquide a tester.
  • Les dispositif décrit étant ainsi calibré, son mode opératoire est alois le suivant: le prisme 2 de la sonde 1 constitutive de ce dispositif étant immergé dans un liquide inconnu dont on veut déterminer l'indice de réfraction "nℓo" ramené à la température de référence "To", l'injection d'une quantité de lumière prédéterminée en entrée de la sonde 1 donne alors lieu à une quantité de lumière "I" transmise en sortie de cette sonde qui se traduit par l'affichage d'une valeur "nℓo aff" sur l'organe d'affichage 10 (cf courbe d'éta- lonage A représentée sur le diagramme de la fig 2a, où cette valeur "nℓo aff" est donnée par l'abscisse du point O de la courbe A dont l'ordonnée est constituée par la valeur "I" ainsi élaborée par la sonde). Cette valeur "nℓo aff" correspond bien à la valeur réelle "nℓo reel" recherchée dans le cas où la température T du système sonde 1 liquide 5 se trouve être égale à la température de référence To. Cette valeur "nℓo aff" se trouve par contre différer sensiblement de la valeur "nℓo reel" recherchée dans le cas où la température T du système s'avère ne plus être égale à la température de référence To, l'erreur E ainsi faite sur la détermination de l'indice "nℓo" ramené à la température de référence To étant alors donnée par la relation:
    Figure imgb0002
    où ΔT désigne l'écart entre la température de mesure T et la température de référence To.
  • Cette erreur E peut être aisément calculée à partir du diagramme de la fig 2a, en faisant figurer sur un tel diagramme la droite B (tracée en pointillés) représentant la variation de la quantité de lumière "I" réellement transmise par la sonde 1 à la température T en fonction des variations de l'indice "nℓo" du liquide ramené à la température de référence To, laquelle variation obéit à la relation:
    Figure imgb0003
    où dI/dT représente la dérivée de la grandeur I en fonction de la température T.
  • On constate donc que la droite B est une droite translatée de la droite d'étalonnage A d'une valeur ΔI telle que:
    Figure imgb0004
  • La valeur réelle "nℓo reel" recherchée est ainsi donnée sur le diagramme de la fig 2a par l'abscisse du point P de la courbe B dont l'ordonnée est toujours constituée. par la valeur "I" élaborée par la sonde à la température I, de sorte que l'erreur E peut alors s'écrire:
    Figure imgb0005
    soit encore, en considérant que OQ =ΔT et que OQ/OP = pente des droites A et B = dI/dnℓo:
    Figure imgb0006
  • Il faut calculer maintenant la dérivée dI/dT, afin de déterminer la valeur E en fonction des paramètres du système sonde 1-liquide 5.
  • On sait que dans n'importe quelle sonde optique conçue pour déterminer les indices de réfraction "nℓ" d'un liquide, la quantité de lumière "I" transmise par la sonde est une fonction de l'indice de réfraction "np" de la sonde et de l'indice de réfraction "nℓ" de ce liquide (les indices "np et "ne" étant eux-mêmes fonction de la température T du système), selon la relation:
    Figure imgb0007
  • La dérivée dI/dnℓ, qui constitue comme sus-indiqué la sensibilité "m" de la sonde relativement aux variations de l'indice de réfraction du liquide, peut alors s'écrire (en posant z = nℓ/nP) :
    Figure imgb0008
  • La dérivée dI/dT, qui constitue un indicateur de la dépendan- ce du système vis à vis de la température, peut pour sa part s'éri- re:
    Figure imgb0009
    Figure imgb0010
    Posons comme définition arbitraire:
    Figure imgb0011
    en convenant d'appeler "q" la sensibilité de la sonde relativement aux variations de température T.
  • Les dérivés dI/dT et dI/dnℓ étant ainsi calculées, on voit que l'erreur E telle que sus-définie peut alors s'exprimer de la manière suivante en fonction des paramètres du système:
    Figure imgb0012
  • On constate donc en conclusion que cette erreur E reste toujours négative pour des dispositifs à sonde unique, compte tenu de ce que les coefficients en température "dn /dT" de la plupart des liquides présentent une grandeur variant d'environ -2x10-4 à -6x10-4/°C selon les liquides, alors que les coefficients en température "dnpldT" de pratiquement tous les matériaux solides transparents présentent des valeurs généralement beaucoup moins élevées. Cette erreur négative E s'avère ainsi maximales pour des dispositifs à sonde unique dont le matériau constitutif est du verre (présentant un coefficient en température de l'ordre de 10-6/°C, négligeable devant celui des liquides). Cette erreur négative E est susceptible d'être sensiblement réduite en prévoyant d'utiliser comme matériau constitutif des sondes des matériaux tels que certaines matières plastiques présentant les coefficients en température les plus élevés connus (de l'ordre de -1x10-4/°C). Une telle erreur négative peut néanmoins seulement être réduite (sans pouvoir au demeurant guère descendre au-dessous d'une valeur de l'ordre de -1x10-4/°C), mais non point annulée, et encore moins être rèndue positive.
  • Le dispositif représenté à la fig lb comprend une sonde optique unique 11, se composant d'une fibre optique en forme de U comprenant une section incurvée 12 de forme semi-circulaire se prolongeant à chacune de ses extrémités par des sections droites respectives 16 et 17. La section incurvée 12 de la fibre 11, dont le coeur est fait en un matériau d'indice de réfraction "np", est immergée dans un liquide à tester 5 d'indice de réfraction "n" (les indices de réfraction respectifs "np" et "nℓ" variant en fonction de la température de mesure "T"). En regard de l'extrémité libre de la section d'entrée 16 de la fibre 11 se trouve disposée une source lumineuse 18, chargée d'injecter une quantité de lumière prédéterminée à l'intérieur de la fibre 11. La lumière ainsi injectée en entrée de la fibre 11 est alors véhiculée jusqu'en sortie de cette dernière tout en donnant lieu, ainsi qu'il est connu, à des pertes de lumière par réfraction à la courbure qui sont fonction de l'indice de réfraction du liquide (courbure de section incurvée 12 choisie suffisamment prononcée pour que ces pertes ne soient pas négligeables), de sorte que la quantité de lumière "I" émergeant en sortie de la fibre 11 s'avère être également fonction de l'indice de réfraction de ce liquide. En regard de la sortie de la fibre 11 se trouve par ailleurs disposé un transducteur photoélectrique 19, chargé d'élaborer un signal électrique "s" directement proportionnel à cette quantité de lumière "I" émergeant de la fibre 11. Le transducteur photoélectrique 19 est enfin connecté à un organe d'affichage 20, chargé de donner directement la valeur de l'indice de réfraction "nℓo" du liquide testé 5 ramené à la température de référence To. A cet effet, l'organe d'affichage est calibré directement en unités d'indices de réfraction, ce calibrage étant par ailleurs opéré comme précédemment à la température de référence To, à l'aide de liquides d'étalonnage dont on connait précisément les valeurs d'indice "nℓo" à cette température "To". Un tel calibrage ou étalonnage se trouve mieux illustré par la courbe A figurant sur le diagramme de la fig. 2b, qui montre les variations de la quantité de lumière "I" transmise par la fibre 11 en fonction de l'indice de réfraction "nℓo" des liquides d'étalonnage maintenus à la température de référence "To". On constate sur ce diagramme que la nature particulière de la sonde utilisée (à savoir fibre optique incurvée) donne lieu à une quantité de lumière transmise "I" qui varie exponentiellement en fonction de l'indice "nℓo", cette variation exponentielle I (nℓo) pouvant s'exprimer à l'aide de la relation:
    Figure imgb0013
    où "C" désigne une constante et "k" le coefficient d'exponentiallité de la sonde relativement aux variations de l'indice de réfraction du liquide à tester.
  • Le dispositif sus-décrit permet de déterminer comme précédemment l'indice de réfraction "nℓo" d'un liquide inconnu ramené à la température de référence "To", cette détermination donnant également lieu, lorsque la température de mesure T diffère de la température de référence "To", à une erreur E qui peut s'exprimer comme précédemment par la relation (cf diagramme fig. 2b):
    Figure imgb0014
  • La quantité de lumière "I" transmise par la sonde optique 11 est par ailleurs comme précédemment toujours fonction de l'indice de réfraction "np" de la sonde et de l'indice de réfraction "nℓ" du liquide, selon la relation:
    Figure imgb0015
    de sorte que la dérivée dI/dT peut toujours s'écrire:
    Figure imgb0016
    L'expression de l'erreur E en fonction des paramètres du système s'avère donc en conclusion être strictement identique à celle donnée précédemment, à savoir :
    Figure imgb0017
    laquelle erreur E reste donc toujours négative.
  • La fig. 3 illustre une première forme d'exécution du dispositif à double sonde optique selon l'invention, suivant laquelle il est fait usage de sondes optiques à caractéristique I (ne) linéaire.
  • Le dispositif représenté sur cette fig. 3 comprend deux sondes optiques 21 et 22, se composant de prismes respectifs 23 et 24 faits en des matériaux transparents d'indice de réfraction respectifs "npl" et "np2", lesdits prismes 23 et 24 se trouvant par ailleurs immergés dans un liquide à tester 15 d'indice de réfraction "nℓ".
  • Le prisme 23 de la première sonde optique 21 comporte une base 25 plus grande qu'une face opposée parallèle 26, ainsi que deux autres faces 27 inclinées d'un même angle par rapport à la base 25. La première sonde optique 21 comprend encore deux conducteurs de lumière 28 et 29 raccordés rigidement par l'une de leurs extrémités à la base 25 du prisme 23, qui sont destinés à servir respectivement de section d'entrée et de section de sortie pour la sonde 21. En regard de l'extrémité libre de la section d'entrée 28 de la sonde 21 se trouve disposée une première source lumineuse 30, chargée d'injecter une quantité de lumière prédéterminée à l'intérieur de la sonde 21, cependant qu'en regard de la section de sortie 29 se trouve disposé un premier transducteur photoélectrique 31, chargé d'élaborer un signal électrique "sl" directement proportionnel à la quantité de lumière "Il" transmise jusqu'en sortie de cette première sonde 21 (lumière transmise jusqu'en sortie de la sonde 21 après avoir subi trois réflexions successives sur les faces correspondantes 26 et 27 du prisme 23).
  • Le prisme 24 de la seconde sonde optique 22 comporte quant à lui une base 33, ainsi que deux autres faces 34 inclinées d'un même angle par rapport à cette base 33. La seconde sonde optique 22 comprend encore deux conducteurs de lumière 38 et 39 raccordés rigidement par l'une de leurs extrémités à la base 33 du prisme 24, qui sont destinés à servir respectivement de section d'entrée et de section de sortie pour la sonde 29. En regard de l'extrémité libre de la section d'entrée 38 de la sortie 27 se trouve disposée une seconde source lumineuse 40, chargée d'injectée une quantité de lumière prédéterminée à l'intérieur de la sonde 22, cependant qu'en regard de la section de sortie 39 se trouve disposé un second transducteur photoélectrique 42, chargé d'élaborer un signal électrique "s2" directement proportionnel à la quantité de lumière "I2" transmise jusqu'en sortie de cette seconde sonde 22 (lumière transmise jusqu'en sortie de la sonde 22 après avoir subi deux réflexions successives sur les faces correspondantes 34 du prisme 24).
  • L'agencement géométrique particulier de chacun des prismes 23 et 24 tels que sus-décrits (prisme 23 comportant trois surfaces réfléchissantes, cependant que le prisme 22 en comporte seulement deux) a été précisément choisi de façon à donner lieu, pour des raisons qui seraient expliquées ci-après, à une sensibilité "ml" pour la première sonde 21 ("m1" étant tel que m1=dI1/dnℓ) qui soit plus élevée que la sensibilité "m2" relative à la seconde sonde 22 ("m2" étant tel que m2=dI2/dnℓ).
  • Les sorties des transducteurs photoélectriques 31 et 42 associés aux sondes respectives 21 et 22 sont par ailleurs connectées aux deux entrées d'un organe différentiateur 43, chargé d'élaborer un signal électrique résultant "s1" correspondant à la différence des signaux "s1" et "s2". Compte tenu du coefficient de proportionnalité "α" entre les signaux respectifs "s1" et "s2" et les valeurs respectives "I1" et I2", le signal résultant "s " peut alors s'inscrire indifféremment :
    Figure imgb0018
    ou encore s =α Ir en convenant de désigner par Ir la différence entre les quantités I1 et I2.
  • La sortie de l'organe différentiateur 43 est enfin connectée à un organe d'affichage 44, chargé d'afficher directement la valeur de l'indice de réfraction "nℓo" du fluide testé 15 ramené à la température de référence prédéterminée "To". A cet effet, l'organe d'affichage 44 est calibré directement en unités d'indice de réfraction, ce calibrage étant opéré (comme pour les dispositifs à sonde unique) à la température de référence To, à l'aide de liquide d'étalonnage dont on connait précisément les valeurs d'indice "nℓo" à cette température "To" (la grandeur "sr" ou "dIr" étant en effet représentative de l'indice "nℓo" à la température de référence "To", puisque les grandeurs composante "s1" et "s2" sont déjà représentatives de cet indice "nℓo" à la tenpérature "To", ainsi que vu précédemment).
  • Le dispositif sus-décrit étant ainsi calibré, son mode de fonctionnement est alors le suivant: les prismes 23 et 24 des sondes respectives 21 et 22 étant immergés dans le liquide dont on veut déterminer l'indice de réfraction "nℓo" ramené à la température de référence "To", l'injection d'une quantité de lumière prédéterminée en entrée des sondes 21 et 22 donne alors lieu à des quantités de lumière respectives "I1" et "I2" en sortie de ces sondes, qui entrainent après élaboration du signal résultant "αIr", l'affichage d'une valeur "nℓo aff" sur l'organe d'affichage 44. Cette valeur affichée "nℓo aff" correspond bien à la valeur réelle "nℓo réel" recherchée, dans le cas où la température T du système se trouve être égale à la température de référence To. Cette valeur "nℓo aff" est par contre susceptible de n'être plus égale à la valeur "nℓo reel" echer- chée, dans le cas où la température T du système vient à différer de la température de référence To, l'erreur E ainsi susceptible d'être effectuée sur la détermination de l'indice "neo" ramené à To étant alors donnée (de manière analogue à ce qui a été montré plus haut) par la relation:
    Figure imgb0019
  • Calculons maintenant les dérivées respectives dIr/dT et dIr/dnℓo, afin de déterminer la valeur de l'erreur E en fonction des paramètres du système.
  • Ainsi que montré précédemment, les quantités de lumière "I1" et "I2" transmises par les sondes respectives 21 et 22 peuvent s'exprimer à l'aide des relations suivantes:
    Figure imgb0020
    et
    Figure imgb0021
    • où "C1" et "C2" désignent des constantes,
    • "m1" et "m2" les sensibilités respectives "dI1/dnℓo"
    • et "dI2/dnℓo" des sondes 21 et 22 relativement aux variations de l'indice du liquide à tester, et,
    • "q1" et "q2" les sensibilités apparentes respectives
    • des sondes 21 et 22 relativement aux variations de température du système avec:
      Figure imgb0022
      et
      Figure imgb0023
  • La valeur résultante Ir peut donc s'écrire:
    • Ir = (I1-I2)
    • = (C1-C2)-(m1m2)nℓo-(m1q1-m2q2)ΔT d'où il en résulte les dérivées resnertives:
      Figure imgb0024
      et
      Figure imgb0025
      ce qui conduit alors à la relation suivante pour l'erreur E:
    Figure imgb0026
  • La condition pour que cette erreur E soit rendue plus positive que l'erreur négative "q1" ou "q2" qui résulterait inévitablement de l'utilisation de la seule sonde 21 ou de la seule sonde 22 est donc que:
    Figure imgb0027
     <q1 ou q2
  • Compte tenu de ce que les sondes respectives 21 et 22 ont été choisies quant à leur agencement géométrique de façon que "ml" soit supérieur à "m2", la condition sus-énoncée se trouve ainsi remplie lorsque "q1" est choisi inférieur à "q2". Cette condition "q1" < "q2" implique, quant aux matériaux constitutifs des prismes 23 et 24 des sondes respectives 21 et 22, le simple choix pour le prisme de la première sonde 21 d'un matériau transparent d'indice "np1" dont le coefficient en température "dnp1/dT" se trouve être supérieur au coefficient en température "dnp2/dT" du matériau transparent d'indice "np2" choisi pour le prisme de la seconde sonde 24. Une telle condition q1 < q2 peut ainsi à titre d'exemple être aisément remplie en choisisant, respectivement, un matériau tel que du polystyrène (dnp1/dT = 1x10-4/°C) comme matériau constitutif du prisme 23 de la première sonde 21, et un matériau tel que du verre (dnp2/dT = -1x10-6/°C) pour le prisme 24 de la seconde sonde 22.
  • Si les deux sondes présentent des prismes 24 et 25 de mêmes formes et dimensions de sorte que leurs sensibilités m1 et m2 sont sensiblement égales, il conviendra de choisir des photodétecteurs ayant une caractéristique telle que la proportionnalité de chaque sonde, 1 et 2, soit différente de sonde à sonde. Il s'ensuit qu'il sera possible d'obtenir un effet identique à celui décrit précédemment dans le cas des prismes 24 et 25 de forme différente en jouant uniquement sur la sensibilité des photodétecteurs.
  • Eri résumé, on constate donc que le dispositif à double sonde optique tel que sus-décrit permet d'assurer la détermination de l'indice de réfraction "nℓo" d'un liquide ramené à la termpérature de référence To, selon une erreur E qui s'avère être plus positive que l'erreur négative inhérente à l'utilisation d'un dispositif à sonde unique, dès que les conditions suivantes sont remplies:
    et m1>m2 q1 < q 2 (ou dnp1/dT > dnp2/dT)
  • Cette erreur E peut au demeurant être pratiquement annulée en choisissant les paramètres respectifs m1, m2, ql et q2 de facon qu'ils obeissent à la relation:
    Figure imgb0028
    ce qui permet alors d'obtenir un dispositif de mesure qui s'avère être quasi parfaitement compensé en température.
  • Cette erreur E peut en outre, dans certains cas désirés, être rendue positive par un choix approprié des paramètres respectifs m1, m2, q1 et q2, ce qui permet alors d'obtenir un dispositif surcompen- sé en température (ce qui est impossible avec les dispositifs à sonde unique). Une telle possibilité de surcompensation en température peut s'avérer particulièrement avantageuse dans un certain nombre d'applications, telle que par exemple celle visant à déterminer l'état de charge Q d'un accumulateur acide-plomb par le biais de la mesure de l'indice de réfraction "nℓo" de son électrolyte ramené à la température de référence To (une telle surcompensation permettant ainsi à titre d'exemple d'indiquer au conducteur d'un véhicule, par temps froid, une charge "Q aff" sensiblement plus faible que la charge réelle "Q reel" de sa batterie, de façon à augmenter la sécurité d'utilisation).
  • La fig. 4 illustre une seconde forme d'exécution du dispositif à double sonde optique selon l'invention, suivant laquelle il est fait usage de sondes optiques à caractéristique I (ne) exponentielle.
  • Le dispositif représenté sur cette fig. 4 comprend deux sondes optiques 51 et 52, constituées par des fibres optiques incurvées dont le coeur est fait des matériaux transparents d'indice de réfraction respectif "np1" et "np2", les sections incurvées 53 et 54 de ces fibres optiques 51 et 52 se trouvant par ailleurs immergées dans le liquide à tester 15 d'indice de réfraction "nℓ".
  • La section incurvée 53 de la première fibre 51 présente un profil en forme de " Ω renversé" comprenant trois courbures alternées. Cette section incurvée 53 se prolonge à chacune de ses extrémités par des sections droites respectives 58 et 59, qui sont destinées à servir respectivement de section d'entrée et de section de sortie pour la sonde 51. En regard de l'extrémité libre de la section d'entrée 58 de la sonde 51 se trouve disposée une première source lumineuse 60, chargée d'injecter une quantité de lumière prédéterminée à l'intérieur de la sonde 51, cependant qu'en regard de la section de sortie 59 se trouve disposé un premier transducteur photoélectrique 61, chargé d'élaborer un signal électrique "s1" directement proportionnel à la quantité de lumière "f1" transmise jusqu'en sortie de cette première sonde 61 (lumière transmise jusqu'en sortie de la sonde 51 après avoir subi des pertes par réfraction sur les trois courbures sucessives inverses de la section incurvée 53).
  • La section incurvée 54 de la seconde fibre 52 présente quant à elle un profil à courbure unique en forme de U. Cette section incurvée 54 se prolonge à chacune de ses extrémités par des sections droites respectives 68 et 69, qui sont destinées à servir de section d'entrée et de section de sortie pour la sonde 52. En regard de l'extrémité libre de la section d'entrée 68 de la sonde 52 se trouve disposée une seconde source lumineuse 70, chargée d'injecter une quantité de lumière prédéterminée à l'intérieur de la section 52, cependant qu'en regard de la section de sortie 69 se trouve disposé un second transducteur photoélectrique 72, chargé d'élaborer un signal électrique "s2" directement proportionnel à la quantité de lumière "12" transmise jusqu'en sortie de cette seconde sonde 52 (lumière transmise jusqu'en sortie de sonde 52 après avoir subi des pertes par réfraction durant son passage au travers de la courbure unique 54).
  • L'agencement géomètrique particulier des sections incurvées respectives 53 et 54 telles que sus-décrites (section 53 comportant trois courbures inverses, cependant que la section 54 en comporte une seule) a été précisément choisi de façon à donner lieu, pour des raisons qui seront expliquées ci-après, à un coefficient d'exponen- tialité "k1" pour la première sonde 51 qui soit supérieur au coefficient.d'exponentialité "k2" relatif à la seconde sonde 52.
  • Les sorties des transducteurs photoélectriques 61 et 72 associés aux sondes respectives 51 et 52 sont par ailleurs connectées aux deux entrées d'un organe diviseur 73, charger d'élaborer un signal électrique résultant "sr" correspondant au quotient des signaux "sI" et "s2". Compte tenu du coefficient de proportionalité "α" entre les signaux respectifs "s1" et "s2" et les valeurs respectives "I1" et "I2", le signal résultant "sr" peut alors s'écrire indifférement:
    Figure imgb0029
    en convenant de désigner par Ir le quotient I3/I2.
  • La sortie de l'organe diviseur 73 est enfin connectée à un organe d'affichage 74, chargé d'afficher directement la valeur de l'indice de réfraction "nℓo" du fluide testé 15 ramené à la température de référence prédéterminée "To". A cet effet, l'organe d'affichage 74 est calibré directement en unités d'indices de réfraction, ce calibrage étant opéré (comme pour les dispositifs à sonde unique) à la température de référence To, à l'aide de liquides d'étalonnage dont on connait précisément les valeurs d'indice "nℓo" à cette température "To" (la grandeur "sr" ou "Ir" étant en effet représentative de l'indice "nℓo" à la température de référence "To", puisque les grandeurs composantes "s1" et "s2" sont déjà représentatives de cet indice "nℓo" à la température "To", ainsi que vu précédement).
  • Le dispositif sus-décrit étant calibré, son mode de fonctionnement est alors le suivant: les sections incurvées 53 et 54 des sondes respectives 51 et 52 étant immergées dans le liquide dont on veut déterminer l'indice de réfraction "nℓo" ramené à la température de référence "To", l'injection d'une quantité de lumière prédéterminée en entrée des sondes 51 et 52 donne alors lieu à des quantités de lumières respectives "Il" et "I2" en sortie des sondes, qui entrainent, après élaboration du signal résultant "Ir", l'affichage d'une valeur "nℓo aff" sur l'organe d'affichage 74. Cette valeur affichée "nℓo aff" correspond bien à la valeur réelle "nℓo reel" recherchée, dans le cas où la température T du système se trouve être égale à la température de référence T . Cette valeur "nℓo aff" est par contre susceptible de n'être plus égale à la valeur "nℓo reel" recherchée, dans le cas où la température T du système vient à différer de la température de référence To, l'erreur E ainsi susceptible d'être affectée sur la détermination de l'indice "nℓo" ramené à To étant alors donnée (de manière analogue à ce qui a été montré plus haut) par la relation:
    Figure imgb0030
  • Calculons maintenant les dérivées respectives dIr/dT et dIr/dnℓo, afin de déterminer la valeur de l'erreur E en fonction des paramètres du système.
  • Ainsi que montré précédemment, les quantités de lumière "I1" et "I2" transmises par les sondes respectives 51 et 52 peuvent s'exprimer à l'aide des relations suivantes:
    Figure imgb0031
    et
    Figure imgb0032
    ou encore, compte tenu de ce que dI/dT=q1/dI/dnℓo, avec dI/dnℓo=-kI (pour les sondes à caractéristique exponentielle):
    Figure imgb0033
    et
    Figure imgb0034
    • où "C1" et "C2" désignent des constantes,
    • "k1" et "k2" les coefficients d'exponentialité respectifs des sondes 51 et 52 relativement aux variations de l'indice du liquide à tester, et,
    • "q1" et "q2" les sensibilités apparentes respectives des sondes 51 et 52 relativement aux variations de température du système avec:
      Figure imgb0035
      et
      Figure imgb0036
  • La valeur résultant Ir peut donc s'écrire:
    Figure imgb0037
    soit encore
    Figure imgb0038
    en supposant que les quantités k1 q3 ΔT et k2 q2 ΔT restent des infi- niments petits par rapport à l'unité (ce qui est vérifié dans la pratique).
  • Il en résulte alors les dérivées respectives:
    Figure imgb0039
    et
    Figure imgb0040
    ce qui conduit alors à la relation suivante pour l'erreur E:
    Figure imgb0041
  • La condition pour que cette erreur E soit rendue plus positive que l'erreur négative "ql" ou "q2" qui résulterait inévitablement de l'utilisation de la seule sonde 51 ou de la seule sonde 52 est donc que:
    Figure imgb0042
  • Compte tenu de ce que les sondes respectives 51 et 52 ont été choisies quant à leur aménagement géométrique de façon que "k1" soit supérieur à "k2", la condition sus-énoncée se trouve ainsi remplie lorsque "q1" est choisi inférieur à "q2". Cette condition "q1" <"q2" implique, quant aux matériaux constitutifs des coeurs des fibres respectives 51 et 52, le simple choix pour le coeur de la première fibre 51 d'un matériau transparent d'indice "np1" dont le coefficient en température "dnpl/dT" se trouve être supérieur au coefficient en température "dnp2/dT" du matériau transparent d'indice "np2" choisi pour le coeur 33 de la seconde fibre 54. Une telle condition q1 <q2 peut ainsi à titre d'exemple être aisément remplie en choisissant, respectivement, un matériau tel que du polystyrène (dnpl/dT = -1x10-4/°C) comne matériau constitutif du coeur de la première sonde 51, et un matériau tel que du verre (dnp2/dT -1x10-6/°C) pour le coeur de la seconde sonde 52.
  • En résumé, on constate donc que le dispositif à double sonde optique tel que sus-décrit permet d'assurer la détermination de l'indice de réfraction nℓo d'un liquide ramené à la température de référence To, selon une erreur qui s'avère être plus positive que l'erreur négative inhérente à l'utilisation d'un dispositif à sonde unique, dès que les conditions suivantes sont remplies:
    • et
      Figure imgb0043
  • Cette erreur E peut au demeurant être pratiquement annulée en choisissant les paramètres respectifs k1, k2, ql, q2 de façon qu'ils obéissent à la relation:
    Figure imgb0044
    ce qui permet alors d'obtenir un dispositif de mesure qui s'avère être quasi-parfaitement compensé en température.
  • Cette erreur E peut en outre, dans certains cas désirés, être rendue positive par un choix approprié des paramètres respectifs kl, k21 q1 et q2, ce qui permet alors d'obtenir un dispositif surcompen- sé en température (ce qui est impossible avec les dispositifs à sonde unique).
  • Avec un dispositif du genre représenté à la fig. 4 et dans lequel la sonde optique 51 était en polystyrène (indice de réfraction (n=1,6) et la sonde optique 52 était en verre (n=1,47) il a été procédé à un test comparatif dont le résultat a été le suivant:
    • a) pour chaque sonde considérée séparément la sensibilité en température était
      Figure imgb0045
      Figure imgb0046
    • b) en faisant emploi du dispositif complet tel qu'illustré sur la fig. 4, la sensibilité en température est devenue égale à
      Figure imgb0047
      valeur très inférieure à celles mentionnées ci-dessus, _ce qui confirme la capacité de compensation en température du dispositif selon la fig. 4.

Claims (6)

1. Dispositif à double sonde optique pour déterminer l'indice de réfraction d'un fluide ramené à une tenpérature de référence prédéterminée, ledit dispositif étant adapté pour donner lieu à une erreur _plus positive que l'erreur négative inhérente à un dispositif à sonde optique unique, caractérisé par le fait que ledit dispositif comprend:
- une première et une seconde sondes optiques constituées chacune par un corps conducteur de la lumière se composant d'une section d'entrée et d'une section de sortie raccordées l'une à l'autre par une section intermédiaire, au moins ladite section intermédiaire de chacune desdites sondes étant destinée à être immergée dans ledit fluide, et cette section intermédiaire étant par ailleurs adaptée pour véhiculer de la lumière entre ladite section d'entrée et ladite section de sortie en donnant lieu à une quantité de lumière émergeant de ladite section de sortie de chacune desdites sondes qui varie linéairement en fonction de l'indice de réfraction dudit fluide,
- au moins une source de lumière associée à ladite section d'entrée desdites première et seconde sondes, pour injecter une quantité de lumière prédéterminée dans chacune de ces sections d'entrée,
- et des moyens associés à ladite section de sortie desdites première et seconde sondes, pour élaborer un signal résultant correspondant à la différence des quantités de lumière émergeant respectivement desdites sections de sortie, lesdites sections intermédiaires desdites première et seconde sondes étant en outre choisies, d'une part en ce qui concerne leur agencement géométrique, de façon à présenter des sensibilités respectives "ml" et "m2" relativement aux variations de l'indice de réfraction du fluide qui sont telles que "m1" est supérieur à "m2", et d'autre part en ce qui concerne leur matériau constitutif, de façon à présenter des sensibilités apparentes respectives "ql" et "q2" relativement aux variations de température de ce fluide qui sont telles que "q1" est inférieur à "q2", de sorte que ledit signal résultant élaboré en sortie desdites sondes constitue un signal représentatif dudit indice de réfraction du fluide ramené à ladite température de référence, l'indice de réfrac-
tion ainsi déterminé se trouvant par ailleurs entaché, pour des températures différant de cette température de référence, d'une erreur plus positive que celle qui résulterait de l'utilisation d'une sonde unique.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacune desdites sections intermédiaires est constituée par un prisme comprenant au moins deux surfaces réfléchissantes, agencées de façon à réfléchir succesivement au moins une partie de la lumière provenant de ladite section d'entrée jusqu'à ladite section de sortie de chacun desdits corps.
3. Dispositif selon la revendication 1, destiné à permettre une conpensation sensiblement parfaite en température, caractérisé par le fait que l'agencement géométrique ainsi que le matériau constitutif de chacune desdites sections intermédaires desdites sondes sont choisis de façon à présenter, respectivement, des sensibilités effectives respectives "m1' et "m2" relativement aux variations de l'indice de réfraction du fluide, ainsi que des sensibilités apparentes respectives "ql" et "q2" relativement aux variations de température de ce fluide, qui obéissent sensiblement à la relation: ml q1 = m 2 q2.
4. Dispositif à double sonde optique pour déterminer l'indice de réfraction d'un fluide ramené à une température de référence prédéterminée, ledit dispositif étant adapté pour donner lieu à une erreur plus positive que l'erreur négative inhérente à un dispositif à sonde optique unique, caractérisé par le fait que ledit dispositif comprend:
- une première et une seconde sondes optiques constituées chacune par un corps conducteur de la lumière se composant d'une section d'entrée et d'une section de sortie raccordées l'une à l'autre par une section intermédiaire, au moins ladite section intermédiaire de chacune desdites sondes étant destinée à être immergée dans ledit fluide, et cette section intermédiare étant par ailleurs adaptée pour véhiculer de la lumière entre ladite section d'entrée et ladite section de sortie en donnant lieu à une quantité de lumière émergeant de ladite section de sortie de chacune desdites sondes qui varie exponentiellement en fonction de l'indice de réfraction dudit fluide,
- au moins une source de lumière associée à ladite section d'entrée desdites première et seconde sondes, pour injecter une quantité de lumière prédéterminée dans chacune de ces sections d'entrée,
- et des moyens associés à ladite section de sortie desdites première et seconde sondes, pour élaborer un signal résultant correspondant au quotient des quantités de lumière émergeant respectivement desdites sections de sortie, lesdites sections intermédiaires desdites première et seconde sondes étant en outre choisies, d'une part en ce qui concerne leur agencement géométrique, de façon à présenter des coefficients d'exponentialité respectifs "kl" et "k2" relativement aux variations de l'indice de réfraction du fluide qui sont tels que "kl" est supérieur à "k2", et d'autre part en ce qui concerne leur matériau constitutif, de façon à présenter des sensibilités apparentes respectives "ql" et "q2" relativement aux variations de température de ce fluide qui sont telles que "ql est inférieur à "q2", de sorte que ledit signal résultant élaboré en sortie desdites sondes constitue un signal représentatif dudit indice de réfraction du fluide ramené à ladite température de référence, l'indice de réfraction ainsi déterminé se trouvant par ailleurs entaché, pour des tenpératures différant de cette température de référence, d'une erreur plus positive que celle qui résulterait de l'utilisation d'une sonde unique.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que chacune desdites sections intermédiaires est constituée par une section longiligne incurvée dont la courbure est suffisamment prononcée pour donner lieu à un passage de lumière par réfraction dans le fluide non négligeable, lesdites sections d'entrée et de sortie auxquelles se trouve raccordée chacune de ces sections intermédiaires étant également longilignes.
6. Dispositif selon la revendication 4, destiné à permettre une compensation sensiblement parfaite en température, caractérisé par le fait que l'agencement géométrique ainsi que le matériau constitutif desdites sections intermédiaires incurvées sont choisis de façon ày présenter, respectivement, des coefficients d'exponentiali- té respectifs "k1" et "k2" relativement aux variations de l'indice de réfraction du fluide, ainsi que des sensibilités apparentes res- pectives "ql" et "q2" relativement aux variations de température de ce fluide, qui obéisent sensiblement à la relation:
k1 q1 = k2 q2.
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